[发明专利]基于CPG的心肺节律同步控制实验平台

权利要求书

1.一种基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，其特征是：该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板(1)和上位机(2)两部分，FPGA开发板(1)中集成有心肌细胞网络模型(7)、CPG模型(15)和FFT变换模块(22)；上位机(2)中存储实验所需呼吸节律信号(9)并采用LabVIEW图形化编程上位机软件界面(3)并通过USB与FPGA开发板(1)进行通讯；

所述心肌细胞网络模型(7)经欧拉离散法化后采用硬件编程语言编写，并编译下载到FPGA开发板(1)中，心肌细胞网络模型(7)包括心肌细胞流水线模型(8)、初值模块(11)和突触电流模块(13)，所述心肌细胞网络模型(7)接收上位机软件界面(3)传递到初值模块(11)的初值信号(12)、突触电流模块(13)运算产生的突触电流信号(14)和CPG输出控制信号(21)作为输入进行运算，运算产生的心肌细胞膜电位信号(19)存储到心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中，并传回上位机软件界面(3)进行波形显示和处理；FPGA开发板(1)上的心肌细胞网络模型(7)中各细胞之间通过突触电流模块(13)中的突触权值矩阵(30)来模拟真实神经元之间的相互耦合；

所述CPG模型(15)包括H-H神经元流水线模型(16)和突触(17)，采用硬件编程语言编写并编译下载到FPGA开发板(1)中，所述CPG模型(15)包含八个H-H神经元流水线模型(16)，CPG模型(15)两侧各四个，每个H-H神经元流水线模型(16)之间通过突触(17)连接，并且突触(17)由突触电流来模拟，所述突触电流产生方法与心肌细胞网络模型(7)中的突触电流模块(13)一样；CPG模型(15)接受上位机(2)通过输入数据总线(5)传递的输入数据信号(10)进行初始化，并接收由比较模块(25)作为输入，CPG模型(15)运算产生的CPG输出控制信号(21)输入到心肌细胞网络模型(7)中，同时存储到FPGA开发板(1)中CPG输出控制信号寄存器(20)，并通过USB接口(4)上传到上位机软件界面(3)进行波形显示和分析处理；

所述FFT变换模块(22)包括蝶形运算单元Ⅰ(33)、蝶形运算单元Ⅱ(34)和选择控制器(36)，采用硬件编程语言编写并编译下载到FPGA开发板(1)中，FFT变换模块(22)接收由上位机软件界面(3)通过输入数据总线(5)传递的存储在上位机(2)中的呼吸节律信号(9)，运算得到FFT变换后的呼吸节律信号(24)；同时FFT变换模块(22)接收存储在心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中的心肌细胞膜电位信号(19)，运算得到FFT变换后的心肌细胞膜电位信号(23)，经过FFT变换模块(22)运算产生的FFT变换后的呼吸节律信号(24)和FFT变换后的心肌细胞膜电位信号(23)作为比较模块(25)的输入；

所述上位机软件界面(3)采用图形化编程的LabVIEW编写，并通过虚拟仪器架构VISA与FPGA开发板(1)的USB接口(4)相连实现数据通信，虚拟仪器架构VISA包含VISA打开，VISA关闭，VISA写入，VISA读取，VISA查找资源；上位机软件界面(3)通过VISA读取接收从FPGA开发板(1)USB接口(4)传输的由心肌细胞网络模型(7)和CPG模型(15)运算得到的动态数据；上位机软件界面(3)设置参数通过VISA写入输入到FPGA开发板(1)中，对心肌细胞网络模型(7)和突触电流模块(13)进行参数配置。

2.根据权利要求1所述的基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，其特征是：所述突触电流模块(13)包含峰值检测模块(29)、突触权值矩阵(30)、衰减率(31)和突触电流逻辑运算模块(32)，通过突触权值矩阵(30)来实现不同细胞或神经元之间的耦合，突触权值矩阵(30)接收上位机软件界面(3)传递的输入数据信号(10)进行初始化配置；突触电流模块(13)接收心肌细胞膜电位信号(19)作为峰值检测模块(29)的输入，当峰值检测模块(29)检测到放电时，突触权值矩阵(30)被选择器(28)选中并经过突触电流逻辑运算模块(32)使得突触电流增量W_s并开始随时间衰减直至再一次峰值检测模块(29)检测到放电。